无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量DOC.docx

无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量DOC.docx

《无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量DOC.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量DOC

无电解电容LED驱动方案中输出功率的测量

　时间：

2011-02-14　浏览1336 次【字体：

大中小】

  LED灯珠作为一个半导体器件，其寿命长达50，000小时以上。

而LED照明驱动方案中普遍用到电解电容，其寿命则仅为5，000~10，000小时。

这样电解电容的短寿命与LED灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距，削弱了LED的优势。

因而无电解电容LED驱动解决方案受到市场青睐。

　　美芯晟科技推出了基于MT7920的无电解电容LED驱动解决方案（见图1）。

在该方案中，在全桥堆之后，采用容值较小的CBB高压陶瓷电容或薄膜电容取代了高压电解电容，去掉了电解电容，同时也提高了功率因子（PFC，在85VAC~265VAC范围可以全程高于0.9）。

而输出电容C8和C9可以用陶瓷电容替代电解电容。

从而实现了完全无电解电容。

　　图1、基于MT7920的隔离LED驱动方案。

　　*当输出电容C8、C9采用470？

F电解电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：

　　输入电压Vin=220VAC，输入功率Pin=7.54W

　　输出电压Vo=19.33V（万用表读数）

　　输出电流Io=327mA（万用表读数）

　　输出功率Po=Vo*Io=6.32W

　　效率η=6.32/7.54=83.8%

　　采用电解电容时的输出电压，电流的波形如图2所示。

从波形图上可以看出，输出电压、电流均存在一定的纹波。

这在单级PFC恒流驱动方案中不可避免的，加大输出电容C8、C9，可以进一步减小输出纹波。

同时我们注意到示波器上电流、电压的平均值与万用表的读数基本相同。

也即是万用表所测量到的直流电压、电流值为平均值。

　　图2、输出采用电解电容（470？

FX2）时的电流、电压波形。

　　（Ch1=蓝色：

输出电压；Ch4=绿色：

输出电流；数学运算=红色：

Ch1*Ch4）

　　进一步，在示波器上，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值6.34W也基本与用平均电压与平均电流相乘所计算的功率相同。

　　*当输出电容C8、C9采用22？

F陶瓷电容，驱动6颗LED时，测量结果如下：

　　输入电压Vin=220VAC，输入功率Pin=8.10W

　　输出电压Vo=19.07V（万用表读数）

　　输出电流Io=334mA（万用表读数）

　　输出功率Po=Vo*Io=6.37W

　　效率η=6.37/8.10=78.6%

   采用陶瓷电容时输出电压、电流的波形如图3所示。

与用电解电容时相比，输入功率增加了约0.56W（8.10W–7.54W），而输出功率按万用表读数计算基本不变（6.37Wvs.6.32W），从而导致效率降低了5%。

情况真的如此吗？

0.5W的功率跑哪里去了？

　　图3、输出采用陶瓷电容（22？

FX2）时的电流、电压波形。

　　（Ch1=蓝色：

输出电压；Ch4=绿色：

输出电流；数学运算=红色：

Ch1*Ch4）

　　在图3中，用输出电压与输出电流相乘所得的瞬时功率曲线的平均值为6.86W，而不是用平均电压与平均电流计算得到的6.37W，二者相差0.49W，正好补上了输入端增加的0.56W。

新的效率应该是η=6.37/8.10=84.7%。

因此效率是没有下降的。

　　为什么在无电解电容（采用陶瓷电容）方案中，输出功率的计算会有如此的不同？

原因在于陶瓷电容的容值较小，导致输出电流的纹波巨大，电流的最低值甚至已经触底为零值了。

此时，输出电流的纹波已经大于其直流平均值了，也即是输出电流已经是一个交流电流了。

再采用平均电流来计算输出功率就不合适了。

　　正确的输出功率计算方法是：

Po=Vo_rms*Io_rms*PF。

式中Vo_rms和Io_rms分别为输出电压和电流的均方根值，PF为功率因子。

图4是输出为陶瓷电容时，输出电压及电流的波形及均方根值。

与图3比较可以发现，对于交流电流来说，平均值与均方根值不再相等了。

　　图4、输出采用陶瓷电容（22？

FX2）时的电流、电压波形。

（print）

　　（Ch1=蓝色：

输出电压；Ch4=绿色：

输出电流；数学运算=红色：

Ch1*Ch4）

　　但是功率因子PF不太容易测量，用上述的公式在操作上有一定的难度，而采用瞬时功率（瞬时电压乘以瞬时电流）的平均值来计算输出功率就比较容易，这个操作可以在示波器上很容易地实现。

在用电解电容的方案中，由于电解电容的容值比较大，输出电流的直流值远大于纹波值，其平均值与均方根值基本相等，用平均电流来计算输出功率就不会引入太大的误差。

半导体照明这一新兴领域的出现，使同时专长于电力电子学、光学和热管理学（机械工程）这三个领域的工程师成为抢手人才。

目前，在三个领域都富有经验的工程师并不很多，而这通常意味着系统工程师或者整体产品工程师的背景要和这三大领域相关，同时他们还需尽可能与其他领域的工程师协作。

系统工程师常常会把自己在原有领域养成的习惯或积累的经验带入设计工作中，这和一个主要研究数字系统的电子工程师转去解决电源管理问题时所遇到的情况相似：

他们可能依靠单纯的仿真，不在试验台上对电源做测试就直接在电路板上布线，因为他们没有认识到：

开关稳压器需要仔细检查电路板布局；另外，如果没有经过试验台测试，实际的工作情况很难与仿真一致。

    在设计LED灯具的过程中，当系统架构工程师是位电子电力专家，或者电源设计被承包给一家工程公司时，一些标准电源设计中常见的习惯就会出现在LED驱动器设计中。

一些习惯是很有用的，因为LED驱动器在很多方面与传统的恒压源非常相似。

这两类电路都工作在较宽的输入电压范围和较大的输出功率下，另外，这两类电路都面对连接到交流电源、直流稳压电源轨还是电池上等不同连接方式所带来的挑战。

   电力电子工程师习惯于总想确保输出电压或电流的高精确度，但这对LED驱动器设计而言并不是很好的习惯。

诸如FPGA和DSP之类的数字负载需要更低的核心电压，而这又要求更严格的控制，以防止出现较高的误码率。

因此，数字电源轨的公差通常会控制在±1%以内或比它们的标称值小，也可用其绝对数值表示，如0.99V至1.01V。

在将传统电源的设计习惯引入LED驱动器设计领域时，通常带来的问题是：

为了实现对输出电流公差的严格控制，将浪费更多的电力并使用更昂贵的器件，或者二者兼而有之。

成本压力

    理想的电源是成本不高，效率能达到100%，并且不占用空间。

电力电子工程师习惯了从客户那里听取意见，他们也会尽最大力量去满足那些要求，力图在最小的空间和预算范围内进行系统设计。

在进行LED驱动器设计时也不例外，事实上它面对更大的预算压力，因为传统的照明技术已经完全实现了商品化，其价格已经非常低廉。

所以，花好预算下的每一分钱都非常重要，这也是一些电力电子设计师工程师被老习惯“引入歧途”的地方。

    要将LED电流的精确度控制到与数字负载的供电电压的精度相同，则会既浪费电，又浪费成本。

100mA到1A是当前大多数产品的电流范围，特别是目前350mA（或者更确切地说，光电半导体结的电流密度为350mA/mm2）是热管理和照明效率间常采纳的折衷方案。

控制LED驱动器的集成电路是硅基的，所以在1.25V的范围内有一个典型的带隙。

要在1.25V处达到1%的容差，亦即需要±12.5mV的电压范围。

这并不难实现，能达到这种容差或更好容差范围的低价电压参考电路或电源控制IC种类繁多，价格低廉。

当控制输出电压时，可在极低功率下使用高精度电阻来反馈输出电压（如图1a所示）。

为控制输出电流，需要对反馈方式做出一些调整，如图1b所示。

这是目前控制输出电流的唯一且最简单的手段。

                           图1a：

电压反馈;图1b：

电流反馈

   深入研究之后，就会发现这种做法的一个主要缺点是：

负载和反馈电路二者是完全相同的。

参考电压被加在与LED串联的一个电阻上，这意味着参考电压或LED电流越高，电阻消耗的功率越大。

所以，第一代专用LED驱动集成电路的参考电压要远低于现在的产品，这类似于电池充电器。

电压更低意味着功耗更低，也意味着更小、更便宜、更低损耗的电流检测电阻。

在图1b所示的简单的低端反馈环境下，200mV是常规的电压选择。

但是，要在200mV参考电压下实现±1%的容差，则需要一个价格很高的集成电路，此时相对于标称参考电压的容差为±2mV。

尽管这并不是不可能实现的，不过更高的精度需要更高的成本。

±2mV的容差需要高精度电压参考所需的生产、测试和分档技术，此时，附加成本应花费在更智能的LED驱动器上。

新的费用的价值是增加了一个反馈回路，借助该回路，可以利用光输出（而非电流输出）来控制如何驱动LED。

测量光输出

   就像数字产品设计师在电源设计中遇到不确定问题时会采取仿真解决问题那样，电力电子工程师出身的系统架构师在进行LED灯具设计时会想到高精度的输出。

LED制造商已经清楚的表明，光通量与前向电流成正比。

利用相同的电流驱动所有LED，那么每个LED会产生相同的光通量。

因此，电力电子工程师就会得出结论：

高精确度的电流是必须的。

这样一来，他们就忘记了光输出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重点。

测量电流是很容易的，而相对的，测量光则需要昂贵的大型设备，如图2所示的积分球，而大部分电子工程师对积分球都不太了解。

                                    图2：

光学积分球截面图

  另外，即使容差为±0.1%的电流源（其价格会相当高）有巨大的市场价值，它对在实际光输出中产生严格的容差值上没有什么作用。

通过观察LED光通量的分档可以确定这一点。

表1给出了世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350mA和25？

C条件下的光通量分档结果。

注意最后一列是各分档的容差平均值，而不是所有光通量分档范围内的容差。

        表1世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350mA和25？

C下的光通量分档结果。

计算光输出精度

   了解到来自单个通量分档的LED光输出会有±3%到±10%的容差之后，系统工程师可能会因此得出结论：

驱动电流容差值必须是越严格越好。

然而从统计学角度来看，该观点并不正确。

一个常见的但不正确的假设是：

任何值的整体容差都等于最坏条件下各值的简单累加。

为LED供电的电流源的容差和LED光通量的容差是互不相关的-它们在最初阶段就已相互独立。

对于不相关的两个因子X和Y，整体容差Z并不是X和Y的容差之和，而是应该利用下述表达式进行计算：

  表2和图3给出了整体容差和假设电流源容差的对比情况，此时假设LED光输出在350mA的区域内随前向电流呈线性变化。

                       图3：

整体容差和假设电流源容差的对比情况。

   根据方程

（1）可以发现，最低容差因子的作用大于其他，而且实际的整体容差值要远优于各个因子在最坏情况下的容差和，尤其是当其中一个因子远好于其他因子时。

由图3可知，电流源容差的最合理目标是将其控制在LED光输出的容差范围内。

请记住：

出于成本考虑，许多灯具会使用来自不同分档的LED。

表3列出了相同LED所具有的最高两档、三档、四档光通量分档下的容差值。

                       表3相同LED所具有的最高两档、三档、四档光通量分档下的容差值

调光控制

   LED制造商和他们的分销伙伴正努力地改进产品的光通量容差，在合理的成本范围内提供更细的分档。

对于那些希望产品可使用5年或50，000个小时，并在使用期内保持整体光输出不变的设计师而言，即使想满足最密集的通量分档和设定0.1%的容差电流源也很难实现。

因为热量和随着时间延长而产生的性能衰减等两个重要因素会降低LED的光通量，即使电流源容差和LED光通量容差都达到0.001%也无法解决该问题。

考虑到这些损耗，高质量固态照明产品设计师必须找到具有额外反馈回路的电源，也即找到热量和光源。

为此需要进行调光控制，那些可以对输出电流进行线性控制和PWM控制的集成电路便成为最佳选择。

    例如，美国国家半导体的LM3409和LM3424都是LED驱动器控制IC，它们是适用于半导体照明的第二代电流源。

两款产品均可通过可变电阻器或电压源来控制平均的LED电流值，并且可为PMW调光信号提供专门的输入信号。

除了线性控制回路外，LM3409和LM3424的模拟调节功能也令系统设计师可以在权衡输出电流精度及尺寸、成本和电流检测电阻的功耗间做出自己的选择。

图4所示的LM3409/09HV控制降压电路，是功率LED驱动器中最常用的电路模式。

图5中的LM3424可以作为升压稳压器LED驱动器，也可以作为降压/升压、SEPIC、反激式甚至是“悬浮”降压电路。

                                                     图4：

LM3409/09HV降压LED驱动器

                       图5：

LM3424升压LED驱动器

需要光控制的应用领域

   路灯是一个很好的光源示例，因为它有严格的法定标准限制。

对于公路用路灯，欧盟国家规定了其最小和最大的光输出及照明模式。

对于符合此规定并提供五年或更长使用寿命的LED路灯来说，设计时必须考虑到热量引起的即时光通量损失，以及更长时间下性能下降带来的通量损失。

   一种很自然的方法是使用光传感器，比如构成线性控制回路的光电二极管。

在系统启用的第一天，就应该只使用整体可用驱动电流的一部分，这样做是考虑到随着时间推移，驱动电流将慢慢增至一个上限，籍此保证光输出恒定。

可以将光电二极管偏置，并转换为一路脉宽调制信号，这将有助于在调光范围内维持更加恒定的相对色温，其线性控制回路更加简单，一般而言调光范围也比较小。

根据不同的时间、运动传感器或其他节省功耗的措施，对光输出进行控制时，PWM控制将更加有用。

图6给出了具有更长寿命、光输出恒定的LED灯的假定原理框图。

                          图6：

PWM（脉宽调制）用于日/夜控制，线性控制用于光输出。

本文小结

   输出电流精度只是评价LED驱动器性能的一个方面，但是当LED本身的光通量容差保持在远高于±1%的水平时，即使对电流源容差和数字处理器中电压轨的容差要求一样严格，也几乎没有任何意义，平均LED电流容差应当几乎等于光通量容差。

本文基于单个分档的误差探讨了一种理想情况，并给出了一些实际的例子，这些例子使用两个或更多分档的LED，其容差也可更轻松地达到±5%、±10%或更高。

在额外的控制回路中，应该将成本开销用于1%的电流控制，并可将电力用在更高的检测电压方面。

有些LED灯会更强调简单实用和低成本，此时即使采用线性调光也会显得过于复杂和昂贵，但如果想要设计出发挥LED全部性能的灯具，就需要使用线性控制或PWM方式或者二者协调使用，从而令产品性能和寿命达到最优。

LED驱动电源方案大全

　时间：

2011-02-17　浏览848 次【字体：

大中小】

  一、什么是LED?

     LED（LightEmittingDiode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

二、LED有哪些优点?

★高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）

★超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）

★光线健康　光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）

★绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）

★保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

★光效率高,发热小:

90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）

★安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，可用于矿场等危险场所

★市场潜力大　低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

三、权威预测

     半导体照明将在未来5-10年内取代现有传统光源。

     "未来白光LED将更加便宜，市场总体容量将快速增长。

"许志鹏乐观地指出，据美国能源部预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，可能形成一个500亿美元的大产业。

而日本提出，LED将在今年大规模替代传统白炽灯。

日、美、欧、韩等国均已正式启动LED照明战略计划。

     美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯将被嵌在芯片上的发光体---半导体灯替代。

     日本计划到2008年用这种半导体灯替代50%的传统照明灯具。

科学家测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的1／10，寿命则是白炽灯的100倍。

由于ＬＥＤ具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。

根据美国能源部（DOE）的预计，传统照明器件的彻底更新换代将在2010年开始启动，然而许多LED供应商都希望将这个启动时间再提前一到两年。

四、继澳大利亚欧盟欲让白炽灯两年内"下课"2007-3-16

      2007年3月9日，在英国伦敦街头，成串的彩灯闪烁。

刚刚结束的欧盟首脑会议通过了一系列旨在提高能效的措施。

9日结束的欧盟春季首脑会议已经达成协议，两年内欧洲各国将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，以减少温室气体排放。

在这之前，澳大利亚已率先通过停止使用白炽光灯泡法令。

五、LED照明产值将超千亿美元同方正发力

     同方股份副总裁兼董秘孙岷近日向记者透露，公司的高亮度LED照明项目已基本实现产业化，目前已经有20条生产线投产，其产业化技术达到世界先进水平，规划2008年年底生产线将达到50条，形成绿色照明的规模化效应。

预计我国2008年应用市场规模将达540亿元，到2010年，中国半导体照明及相关产业产值将超过1000亿美元的规模，其中高亮度芯片国内增长率将高达100％。

六、首尔半导体期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。

     韩国首尔半导体公司现正计划用LED取代传统的照明灯，目前Acriche60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特,

而每一模组为250流明;在2008年第四季达至120流明/瓦特,而每一模组为400流明,期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。

七、澳大利亚与新西兰将率先停止使用白炽光灯泡

     澳大利亚政府最近宣布，为了减少温室气体的排放量，澳大利亚将禁止除医疗用以外的白炽灯的使用。

据此，到2012年时澳大利亚将减少400万吨温室气体的排放。

而据2007年2月21日《TheDominionPost》报道，新西兰能源部长David

Parker建议参照澳大利亚的做法，新西兰也应在未来两到三年内禁止使用普通白炽光灯泡，用节能环保的荧光灯泡（FlorescentEco

Bulb）取代。

澳大利亚环境部长Malcolm

Turnbull说，澳大利亚2010年将推行新的民用照明标准，通过新标准的实施，2012年可减少温室气体排放400万吨。

据悉，这种新型荧光灯泡主要从中国进口。

八、为什么首选楼道灯来应用LED

    1，目前比较而言，LED的售价还较高，楼道灯是共用设施，共同承担大家就能接受。

    2，楼道灯现在普遍是使用白炽灯，若换用LED灯，节电的效果就特别明显。

    3，楼道灯在白天是熄灭的。

晚上就频繁的启动或关断。

不要说是节能灯，就是白炽灯都会很快的玩完。

但是LED灯却是不怕，因为它的发光机理与白炽灯和节能灯都不同，就恰恰非常的适应在高速的开关工作状态，绝对不会因为是这个原因而损坏。

4，LED灯的寿命很长，就免除了楼道灯经常需要维修的尴尬状况。

5，楼道灯是物业交电费,投入是一次性的,节约80%的电费是长期的,物业部门最合算。

九、LED灯能直接替换现在的楼道灯吗？

不能。

由于现在大家使用的楼道灯是白炽灯，根本就无法用LED灯或节能灯去替换，所以如果要换用LED灯就必须也要同时换用声光控开关。

现在有专用的一体化的LED声光控楼道灯，直接就使用220V的市电，非常方便使用。

我们将强烈建议楼道灯的使用电压用直流的24V，其好处和原因我们会另文介绍。

随着技术发展和成本的降低，LED灯取代节能灯也就成为必然的了。

十、LED驱动电源的分类及特性

1、按驱动方式可分为两大类：

（1）恒流式:

a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；

b、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。

c、恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。

d、应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；

（2）稳压式：

a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；

b、稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。

c、以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；

d、亮度会受整流而来的电压变化影响。

2、按电路结构方式分类

（1）电阻、电容降压方式：

通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。

易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。

（2）电阻降压方式：

通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。

（3）常规变压器降压方式：

电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

（4）电子变压器降压方式：

电源效率较低，电压范围也不宽，一般180～240V，波纹干扰大。

（5）RCC降压方式开关电源：

稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%～80%，应用也较广。

由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。

（6）PWM控制方式开关电源：

主要由四部分组成，输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。

PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与